第-1-章-雷達原理-(第三版-丁鷺飛)-緒論課件

第一章緒論

1.1雷達的任務

1.2雷達的基本組成

1.3雷達的工作頻率

1.4雷達的應用和發(fā)展

1.5電子戰(zhàn)與軍用雷達的發(fā)展第一章緒論1.1雷達的任務11.1雷達的任務1.1.1雷達回波中的可用信息當雷達探測到目標后,就要從目標回波中提取有關(guān)信息:可對目標的距離和空間角度定位,目標位置的變化率可由其距離和角度隨時間變化的規(guī)律中得到，并由此建立對目標跟蹤;雷達的測量如果能在一維或多維上有足夠的分辨力,則可得到目標尺寸和形狀的信息;采用不同的極化，可測量目標形狀的對稱性。原理上，雷達還可測定目標的表面粗糙度及介電特性等。1.1雷達的任務1.1.1雷達回波中的可用信息2目標在空間、陸地或海面上的位置,可以用多種坐標系來表示。最常見的是直角坐標系,即空間任一點目標P的位置可用x、y、z三個坐標值來決定。在雷達應用中,測定目標坐標常采用極(球)坐標系統(tǒng),如圖1.1所示。圖中,空間任一目標P所在位置可用下列三個坐標確定:(1)目標的斜距R：雷達到目標的直線距離OP;(2)方位角α：目標斜距R在水平面上的投影OB與某一起始方向(正北、正南或其它參考方向)在水平面上的夾角。目標在空間、陸地或海面上的位置,可以用多種坐3圖1.1用極(球)坐標系統(tǒng)表示目標位置圖1.1用極(球)坐標系統(tǒng)表示目標位置4(3)仰角β：斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角,有時也稱為傾角或高低角。如需要知道目標的高度和水平距離,那么利用圓柱坐標系統(tǒng)就比較方便。在這種系統(tǒng)中,目標的位置由以下三個坐標來確定:水平距離D，方位角α，高度H。這兩種坐標系統(tǒng)之間的關(guān)系如下:D=Rcosβ，H=Rsinβ，α=α上述這些關(guān)系僅在目標的距離不太遠時是正確的。當距離較遠時,由于地面的彎曲,必須作適當?shù)男薷摹?3)仰角β：斜距R與它在水平面上的投影O5圖1-2雷達的原理及其基本組成圖1-2雷達的原理及其基本組成6由雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能,經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給天線,再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速(約3×108m/s)傳播,如果目標恰好位于定向天線的波束內(nèi),則它將要截取一部分電磁能。目標將被截取的電磁能向各方向散射,其中部分散射的能量朝向雷達接收方向。雷達天線搜集到這部分散射的電磁波后,就經(jīng)傳輸線和收發(fā)開關(guān)饋給接收機。接收機將這微弱信號放大并經(jīng)信號處理后即可獲取所需信息,并將結(jié)果送至終端顯示。由雷達發(fā)射機產(chǎn)生的電磁能,經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給7

1.目標斜距的測量雷達工作時,發(fā)射機經(jīng)天線向空間發(fā)射一串重復周期一定的高頻脈沖。如果在電磁波傳播的途徑上有目標存在,那么雷達就可以接收到由目標反射回來的回波。由于回波信號往返于雷達與目標之間,它將滯后于發(fā)射脈沖一個時間tr,如圖1.3所示。我們知道電磁波的能量是以光速傳播的,設目標的距離為R,則傳播的距離等于光速乘上時間間隔,即2R=ctr

或1.目標斜距的測量2R=ctr或8式中,R為目標到雷達站的單程距離,單位為m;tr為電磁波往返于目標與雷達之間的時間間隔,單位為s;c為光速，c=3×108m/s。由于電磁波傳播的速度很快,雷達技術(shù)常用的時間單位為μs,回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖為一個微秒時,所對應的目標斜距離R為能測量目標距離是雷達的一個突出優(yōu)點,測距的精度和分辨力與發(fā)射信號帶寬(或處理后的脈沖寬度)有關(guān)。脈沖越窄,性能越好。式中,R為目標到雷達站的單程距離,單位為m;tr為電磁9圖1.3雷達測距圖1.3雷達測距10

2.目標角位置的測量目標角位置指方位角或仰角,在雷達技術(shù)中測量這兩個角位置基本上都是利用天線的方向性來實現(xiàn)的。雷達天線將電磁能量匯集在窄波束內(nèi),當天線波束軸對準目標時,回波信號最強,如圖1.4實線所示。當目標偏離天線波束軸時回波信號減弱,如圖上虛線所示。根據(jù)接收回波最強時的天線波束指向,就可確定目標的方向,這就是角坐標測量的基本原理。天線波束指向?qū)嶋H上也是輻射波前的方向。2.目標角位置的測量11圖1.4角坐標測量圖1.4角坐標測量12

3.相對速度的測量有些雷達除確定目標的位置外,還需測定運動目標的相對速度,例如測量飛機或?qū)楋w行時的速度。當目標與雷達站之間存在相對速度時,接收到回波信號的載頻相對于發(fā)射信號的載頻產(chǎn)生一個頻移,這個頻移在物理學上稱為多卜勒頻移,它的數(shù)值為式中,fd為多卜勒頻移，單位為Hz;vr為雷達與目標之間的徑向速度，單位為m/s;λ為載波波長，單位為m。3.相對速度的測量式中,fd為多卜勒頻移，13當目標向著雷達站運動時,vr＞0,回波載頻提高;反之vr＜0,回波載頻降低。雷達只要能夠測量出回波信號的多卜勒頻移fd,就可以確定目標與雷達站之間的相對速度。徑向速度也可以用距離的變化率來求得,此時精度不高但不會產(chǎn)生模糊。無論是用距離變化率或用多卜勒頻移來測量速度,都需要時間。觀測時間愈長，則速度測量精度愈高。多卜勒頻移除用作測速外,更廣泛的是應用于動目標顯示(MTI)、脈沖多卜勒(PD)等雷達中，以區(qū)分運動目標回波和雜波。當目標向著雷達站運動時,vr＞0,回波載頻14

4.目標尺寸和形狀如果雷達測量具有足夠高的分辨力,就可以提供目標尺寸的測量。由于許多目標的尺寸在數(shù)十米量級,因而分辨能力應為數(shù)米或更小。目前雷達的分辨力在距離維已能達到,但在通常作用距離下切向距離(RQ)維的分辨力還遠達不到,增加天線的實際孔徑來解決此問題是不現(xiàn)實的。然而當雷達和目標的各個部分有相對運動時,就可以利用多卜勒頻率域的分辨力來獲得切向距離維的分辨力。例如，裝于飛機和宇宙飛船上的SAR(綜合孔徑)雷達,與目標的相對運動是由雷達的運動產(chǎn)生的。高分辨力雷達可以獲得目標在距離和切向距離方向的輪廓(雷達成像)。4.目標尺寸和形狀15此外,比較目標對不同極化波(例如正交極化等)的散射場,就可以提供目標形狀不對稱性的量度。復雜目標的回波振幅隨著時間會變化,例如，螺旋槳的轉(zhuǎn)動和噴氣發(fā)動機的轉(zhuǎn)動將使回波振幅的調(diào)制各具特點,可經(jīng)過譜分析檢測到。這些信息為目標識別提供了相應的基礎(chǔ)。此外,比較目標對不同極化波(例如正交極化等161.1.2雷達探測能力——基本雷達方程設雷達發(fā)射機功率為Pt,當用各向均勻輻射的天線發(fā)射時,距雷達R遠處任一點的功率密度等于功率被假想的球面積4πR2所除,即實際雷達總是使用定向天線將發(fā)射機功率集中輻射于某些方向上。天線增益G用來表示相對于各向同性天線,實際天線在輻射方向上功率增加的倍數(shù)。因此當發(fā)射天線增益為G時,距雷達R處目標所照射到的功率密度為1.1.2雷達探測能力——基本雷達方程17目標截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向。用雷達截面積σ來表示被目標截獲入射功率后再次輻射回雷達處功率的大小,或用下式表示在雷達處的回波信號功率密度:σ的大小隨具體目標而異,它可以表示目標被雷達“看見”的尺寸。雷達接收天線只收集了回波功率的一部分,設天線的有效接收面積為Ae,則雷達收到的回波功率Pr為目標截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向。用雷18當接收到的回波功率Pr等于最小可檢測信號Smin時,雷達達到其最大作用距離Rmax,超過這個距離后,就不能有效地檢測到目標。當接收到的回波功率Pr等于最小可檢測信號Smin時,雷達達191.2雷達的基本組成圖1.5脈沖雷達基本組成框圖1.2雷達的基本組成圖1.5脈沖雷達基本組成框圖201.3雷達的工作頻率按照雷達的工作原理,不論發(fā)射波的頻率如何,只要是通過輻射電磁能量和利用從目標反射回來的回波,以便對目標探測和定位,都屬于雷達系統(tǒng)工作的范疇。常用的雷達工作頻率范圍為220~35000MHz(220MHz~35GHz),實際上各類雷達工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍。例如天波超視距(OTH)雷達的工作頻率為4MHz或5MHz,而地波超視距的工作頻率則低到2MHz。在頻譜的另一端,毫米波雷達可以工作到94GHz,激光(Laser)雷達工作于更高的頻率。工作頻率不同的雷達在工程實現(xiàn)時差別很大。1.3雷達的工作頻率按照雷達的工作原理,21雷達的工作頻率和整個電磁波頻譜示于圖1.6,實際上絕大部分雷達工作于200MHz至10000MHz頻段。由于70年代中制成能產(chǎn)生毫米波的大功率管,毫米波雷達已獲得試制和應用。目前在雷達技術(shù)領(lǐng)域里常用頻段的名稱,用L、S、C、X等英文字母來命名。這是在第二次世界大戰(zhàn)中一些國家為了保密而采用的,以后就一直延用下來,我國也經(jīng)常采用。雷達的工作頻率和整個電磁波頻譜示于圖1.6,22圖1.6雷達頻率和電磁波頻譜圖1.6雷達頻率和電磁波頻譜23表1.1雷達頻段和對應的頻率表1.1雷達頻段和對應的頻率2422cm為中心的20~25cm(S代表10cm為中心,相應地,C代表5cm,X代表3cm,Ku代表2.2cm,Ka代表8mm等)。表中還列出國際電信聯(lián)盟分配給雷達的具體波段,例如,L波段包括的頻率范圍應是1000MHz到2000MHz,而L波段雷達的工作頻率卻被約束在1215MHz到1400MHz的范圍。22cm為中心的20~25cm(S代表10251.4雷達的應用和發(fā)展1.4.1應用情況軍用雷達按戰(zhàn)術(shù)來分可有下列主要類型:#;1)預警雷達(超遠程雷達)它的主要任務是發(fā)現(xiàn)洲際導彈,以便及早發(fā)出警報。它的特點是作用距離遠達數(shù)千公里,至于測定坐標的精確度和分辨力是次要的。目前應用預警雷達不但能發(fā)現(xiàn)導彈,而且可用以發(fā)現(xiàn)洲際戰(zhàn)略轟炸機。1.4雷達的應用和發(fā)展1.4.1應用情況262)搜索和警戒雷達其任務是發(fā)現(xiàn)飛機,一般作用距離在400km以上,有的可達600km。對于測定坐標的精確度、分辨力要求不高。對于擔當保衛(wèi)重點城市或建筑物任務的中程警戒雷達要求有方位360°的搜索空城。3)引導指揮雷達(監(jiān)視雷達)這種雷達用于對殲擊機的引導和指揮作戰(zhàn),民用的機場調(diào)度雷達亦屬這一類。其特殊要求是:(1)對多批次目標能同時檢測;(2)測定目標的三個坐標,要求測量目標的精確度和分辨力較高,特別是目標間的相對位置數(shù)據(jù)的精度要求較高。2)搜索和警戒雷達其任務是發(fā)現(xiàn)飛機,一274)火控雷達其任務是控制火炮(或地空導彈)對空中目標進行瞄準攻擊,因此要求它能夠連續(xù)而準確地測定目標的坐標,并迅速地將射擊數(shù)據(jù)傳遞給火炮(或地空導彈)。這類雷達的作用距離較小,一般只有幾十公里,但測量的精度要求很高。5)制導雷達它和火控雷達同屬精密跟蹤雷達,不同的是制導雷達對付的是飛機和導彈,在測定它們的運動軌跡的同時,再控制導彈去攻擊目標。制導雷達要求能同時跟蹤多個目標,并對分辨力要求較高。這類雷達天線的掃描方式往往有其特點,并隨制導體制而異。4)火控雷達其任務是控制火炮(或地空導彈286)戰(zhàn)場監(jiān)視雷達這類雷達用于發(fā)現(xiàn)坦克、軍用車輛、人和其它在戰(zhàn)場上的運動目標。7)機載雷達這類雷達除機載預警雷達外，主要有下列數(shù)種類型:(1)機載截擊雷達。當殲擊機按照地面指揮所命令,接近敵機并進入有利空域時,就利用裝在機上的截擊雷達,準確地測量敵機的位置,以便進行攻擊。它要求測量目標的精確度和分辨率高。6)戰(zhàn)場監(jiān)視雷達這類雷達用于發(fā)現(xiàn)坦克、29(2)機載護尾雷達。它用來發(fā)現(xiàn)和指示機尾后面一定距離內(nèi)有無敵機。這種雷達結(jié)構(gòu)比較簡單,不要求測定目標的準確位置,作用距離也不遠。(3)機載導航雷達。它裝在飛機或艦船上，用以顯示地面或港灣圖像,以便在黑夜和大雨、濃霧情況下,飛機和艦船能正確航行。這種雷達要求分辨力較高。(2)機載護尾雷達。它用來發(fā)現(xiàn)和指示機尾后30(4)機載火控雷達。20世紀70年代后的戰(zhàn)斗機上火控系統(tǒng)的雷達往往是多功能的。它能空對空搜索和截獲目標，空對空制導導彈，空對空精密測距和控制機炮射擊，空對地觀察地形和引導轟炸，進行敵我識別和導航信標的識別,有的還兼有地形跟隨和回避的作用,一部雷達往往具有七八部雷達的功能。(4)機載火控雷達。20世紀70年代后的戰(zhàn)斗31對于機載雷達共同的要求是體積小、重量輕、工作可靠性高。8)無線電測高儀它裝置在飛機上。這是一種連續(xù)波調(diào)頻雷達,用來測量飛機離開地面或海面的高度。9)雷達引信這是裝置在炮彈或?qū)楊^上的一種小型雷達,用來測量彈頭附近有無目標,當距離縮小到彈片足以擊傷目標的瞬間,使炮彈(或?qū)楊^)爆炸,提高了擊中目標的命中率。對于機載雷達共同的要求是體積小、重量輕、工作可32在民用雷達方面,舉出以下一些類型和應用#;1)氣象雷達這是觀察氣象的雷達,用來測量暴風雨和云層的位置及其移動路線。2)航行管制(空中交通)雷達在現(xiàn)代航空飛行運輸體系中,對于機場周圍及航路上的飛機,都要實施嚴格的管制。航行管制雷達兼有警戒雷達和引導雷達的作用,故有時也稱為機場監(jiān)視雷達,它和二次雷達配合起來應用。二次雷達地面設備發(fā)射詢問信號,機上接到信號后,用編碼的形式,發(fā)出一個回答信號,地面收到后在航行管制雷達顯示器上顯示。這一雷達系統(tǒng)可以鑒定空中目標的高度、速度和屬性,用以識別目標。在民用雷達方面,舉出以下一些類型和應用#;333)宇宙航行中用雷達這種雷達用來控制飛船的交會和對接,以及在月球上的著陸。某些地面上的雷達用來探測和跟蹤人造衛(wèi)星。4)遙感設備安放在衛(wèi)星或飛機上的某種雷達,可以作為微波遙感設備。它主要感受地球物理方面的信息,由于具有二維高分辨力而可對地形、地貌成像。雷達遙感也參與地球資源的勘探,其中包括對海的情況、水資源、冰覆蓋層、農(nóng)業(yè)森林、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及環(huán)境污染等進行測量和地圖描繪。也曾利用此類雷達來探測月亮和行星(雷達天文學)。3)宇宙航行中用雷達這種雷達用來控制飛34此外，在飛機導航,航道探測(用以保證航行安全),公路上車速測量等方面,雷達也在發(fā)揮其積極作用。為了滿足多種用途不同的要求,已研制了各雷達。例如,按照雷達信號的形式分類,可以分為以下幾類：1)脈沖雷達此類雷達發(fā)射的波形是矩形脈沖,按一定的或交錯的重復周期工作,這是目前使用最廣的。此外，在飛機導航,航道探測(用以保證航行安全352)連續(xù)波雷達此類雷達發(fā)射連續(xù)的正弦波,主要用來測量目標的速度。如需同時測量目標的距離,則往往需對發(fā)射信號進行調(diào)制,例如，對連續(xù)的正弦信號進行周期性的頻率調(diào)制。3)脈沖壓縮雷達此類雷達發(fā)射寬的脈沖波,在接收機中對收到的回波信號加以壓縮處理,以便得到窄脈沖。目前實現(xiàn)脈沖壓縮主要有兩種。線性調(diào)頻脈沖壓縮處理和相位編碼脈沖壓縮處理。脈沖壓縮能解決距離分辨力和作用距離之間的矛盾。20世紀70年代研制的新型雷達絕大部分采用脈沖壓縮的體制。此外，還有脈沖多卜勒雷達、噪聲雷達、頻率捷變雷達等。2)連續(xù)波雷達此類雷達發(fā)射連續(xù)的正弦波,36也可以按其它標準對雷達進行分類,例如:#;(1)按角跟蹤方式分,有單脈沖雷達、圓錐掃描雷達、隱蔽錐掃雷達等。(2)按測量目標的參量分,有測高雷達、兩坐標雷達、三坐標雷達、測速雷達、目標識別雷達等。(3)按信號處理方式分,有各種分集雷達(頻率分集,極化分集等等)、相參或非相參積累雷達、動目標顯示雷達、合成孔徑雷達等。(4)按天線掃描方法分,有機械掃描雷達、相控陣雷達、頻掃雷達等。也可以按其它標準對雷達進行分類,例如:#;371.4.2雷達的發(fā)展20世紀70年代以來,雷達的性能日益提高而應用范圍也持續(xù)拓寬,舉例如下:(1)由于VHLSI和VLSI的迅猛發(fā)展,數(shù)字技術(shù)和計算機的應用更為廣泛深入,表現(xiàn)在:①動目標檢測(MTD)和脈沖多卜勒(PD)等雷達的信號處理機更為精致、靈活,性能明顯提高。②自動檢測和跟蹤系統(tǒng)得到完善,提高了工作的自動化程度。1.4.2雷達的發(fā)展20世紀70年代以來38(2)綜合孔徑雷達(SAR)由于具有很高的距離和角度(切向距)分辨能力而可以對實況成像;逆綜合孔徑(ISAR)雷達則可用于對目標成像。成像處理中已用數(shù)字處理代替光學處理。(3)更多地采用復雜的大時寬帶寬脈壓信號，以滿足距離分辨力和電子反對抗的需要。(4)高可靠性的固態(tài)功率源更為成熟,可以組成普通固態(tài)發(fā)射機或分布于相控陣雷達的陣元上組成有源陣。(2)綜合孔徑雷達(SAR)由于具有很高的距39(5)許多場合可用平面陣列天線代替拋物面天線,陣列天線的基本優(yōu)點早可以快速和靈活地實現(xiàn)波束掃描和波束形狀變化，因而有很好的應用前景，例如：①在三坐標雷達中實現(xiàn)一維相掃。②獲得超低副瓣,用于機載雷達或抗干擾。③組成自適應旁瓣相消系統(tǒng)以抗干擾。④相控陣雷達連續(xù)出現(xiàn),不僅用于戰(zhàn)略而且也用于戰(zhàn)術(shù)雷達,如制導、戰(zhàn)場炮位偵察等。(5)許多場合可用平面陣列天線代替拋物面天線40圖1.7收發(fā)共用一個發(fā)射機、接收機的簡化相控陣雷達方框圖圖1.7收發(fā)共用一個發(fā)射機、接收機的簡化相控陣雷達方框圖41目標區(qū)分是一個通常用于反彈道導彈(ARM)雷達處理中的術(shù)語。它用來在雷達接收到的一片“目標”中選擇出最有威脅的再入彈頭。到達的一片“目標”中大多數(shù)是助推器或末級導彈的碎片，以及故意放置的各種誘餌。若要實現(xiàn)目標區(qū)分，必須測量以下參數(shù)：(1)彈道參數(shù)(重量/阻力比)及其隨高度的變化，要觀測大氣及外目標的減速；目標區(qū)分是一個通常用于反彈道導彈(ARM)雷達42(2)有效散射面積(RCS)及其起伏特性；(3)目標后面電離尾跡的存在、速度及其速度分布；(4)用寬帶波形獲得目標的距離剖面；(5)用高距離分辨和ISAR處理獲得目標的二維像；(6)用VHF波段的寬頻觀測來獲得目標響應的固有諧振點；(7)RCS或目標部分散射單元的極化比。(2)有效散射面積(RCS)及其起伏特性；431.5電子戰(zhàn)與軍用雷達的發(fā)展1.5.1電子戰(zhàn)的科學定義電子戰(zhàn)(EW)的科學定義,我們在這里直接引用我國原機電部部標《雷達對抗術(shù)語》的有關(guān)內(nèi)容如下:電子戰(zhàn)(EW)是指“敵我雙方利用無線電電子裝備或器材所進行的電磁信息斗爭,電子戰(zhàn)包括電子對抗和電子反對抗”。電子對抗(ECM)是指“為了探測敵方無線電電子裝備的電磁信息,削弱或破壞其使用效能所采取的一切戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)措施”。1.5電子戰(zhàn)與軍用雷達的發(fā)展1.5.1電子戰(zhàn)的科學定義44電子反對抗(ECCM)是指“在敵方實施電子對抗條件下保證我方有效地使用電磁信息所采用的一切戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)措施?！彪娏藢?ECM)包括電子偵察、電子干擾、偽裝、隱身和摧毀。與之相應的電子反對抗就包括反偵察、反干擾、反隱身和反摧毀。電子對抗的摧毀是指采用電子措施而實現(xiàn)的對敵電子設備的火力摧毀,例如反輻射導彈就是一種電子對抗的摧毀措施,用以摧毀敵方的雷達、通信站、導航臺等電子裝備。電子反對抗(ECCM)是指“在敵方實施電子對抗45表1.2電子戰(zhàn)的科學定義示意圖表1.2電子戰(zhàn)的科學定義示意圖461.5.2雷達反干擾1.與天線有關(guān)的電子抗干擾1)旁瓣消隱(SLB)這種技術(shù)只對低占空系數(shù)的脈沖干擾或掃頻干擾才有效,高占空系數(shù)的脈沖或噪聲干擾會使主通道在大部分時間內(nèi)關(guān)閉,從而使雷達失效。旁瓣消隱的組成框圖如圖1.8(b),它增加了一個全向的輔助天線和一個并行的接收通道,其中輔助天線的增益約比主天線的最大旁瓣增益高出3~4dB。將輔助通道信號與主通道信號相比較,當前者較后者大時，則主通道內(nèi)的信號必是經(jīng)旁瓣進入的,此時波門開啟,阻止旁瓣干擾信號進入接收機,因而不被顯示。1.5.2雷達反干擾1.與天線有關(guān)的47圖1.8旁瓣消隱系統(tǒng)(SLB)(a)SLB主、輔天線方向圖;(b)SLB系統(tǒng)框圖圖1.8旁瓣消隱系統(tǒng)(SLB)482)旁瓣相消(SLC)這種技術(shù)是用來抑制通過天線旁瓣進入的高占空比和類噪聲干擾的。旁瓣相消的組成框圖如圖1.9所示。使用一個或多個輔助天線,對輔助通道信號的相位和幅度進行自適應控制并將其輸出與主通道合并,便會在干擾機方向產(chǎn)生合成天線方向圖響應的零點,即旁瓣進入的干擾被相消,通過連續(xù)地自適應地調(diào)整輔助通道信號的振幅和相位,即可使合成方向圖的零點跟蹤干擾機而達到旁瓣相消。實現(xiàn)自適應旁瓣相消系統(tǒng)相當復雜,特別是當要求相消效果好的時候。如果同時有多個方向的干擾機產(chǎn)生旁瓣干擾,則相消系統(tǒng)的輔助天線也要多個。事實上，至少需要N個輔助天線方向圖在振幅和相位上分別控制來強迫主天線接收方向圖在N個方向形成零點。2)旁瓣相消(SLC)這種技術(shù)是用來抑制49圖1.9自適應旁瓣相消系統(tǒng)(SLC)(a)原理框圖;(b)天線方向圖圖1.9自適應旁瓣相消系統(tǒng)(SLC)50圖1.10自適應天線陣列圖1.10自適應天線陣列51自適應陣的理論在70年代初期已獲得解決,其基本結(jié)果表現(xiàn)在最佳權(quán)矢量的公式上:式中,M=E［V*VT］為N維協(xié)方差矩陣,其中V則是天線陣元所收到的N維干擾矢量;S為天線陣元收到的目標信號矢量,目標來自確定方向。根據(jù)空間干擾情況設置最佳權(quán)值,從而改變天線方向圖,使之在消除干擾的同時增強目標信號而在陣列輸出端得到最大的信號干擾功率比值,因此,自適應陣列是一個最佳空域濾波器。原則上,N個陣元的陣列可以同時形成N-1個方向圖零點,以對付(N-1)個方向的干擾源。自適應陣的理論在70年代初期已獲得解決,其52

2.與發(fā)射機有關(guān)的電子抗干擾不同類型的ECCM的實現(xiàn),就是適當?shù)乩煤涂刂瓢l(fā)射信號的功率、頻率和波形。1)增加有效輻射功率這是一種對抗有源干擾的強有力的手段,此方法可增加信號/干擾功率比。如果再配合天線對目標的“聚光”照射,便能明顯增大此時雷達的探測距離。雷達的發(fā)射要采用功率管理，以減小平時雷達被偵察的概率。2.與發(fā)射機有關(guān)的電子抗干擾532)發(fā)射頻率在發(fā)射頻率上可采用頻率捷變或頻率分集的辦法,前者是指雷達在脈沖與脈沖間或脈沖串與脈沖串之間改變發(fā)射頻率,后者是指幾部雷達發(fā)射機工作于不同的頻率而將其接收信號綜合利用。這些技術(shù)代表一種擴展頻譜的電子抗干擾方法,發(fā)射信號將在頻域內(nèi)盡可能展寬，以降低被敵方偵察時的可檢測度,并且加重敵方電子干擾的負荷而使干擾更困難。2)發(fā)射頻率在發(fā)射頻率上可采用頻率捷變或543)發(fā)射波形編碼波形編碼包括脈沖重復頻率跳變、參差及編碼和脈間編碼等。所有這些技術(shù)使得欺騙干擾更加困難,因為敵方將無法獲悉或無法預測發(fā)射波形的精確結(jié)構(gòu)。脈內(nèi)編碼的可壓縮復雜信號,可有效地改善目標檢測能力。它具有大的平均功率而峰值功率較小;其較寬的帶寬可改善距離分辨力并能減小箔條類無源干擾的反射;由于它的峰值功率低,使輻射信號不易被敵方電子支援措施偵察到。因此，采用此類復雜信號的脈沖壓縮雷達具有較好的ECCM性能。3)發(fā)射波形編碼波形編碼包括脈沖重復頻率55

3.與接收機、信號處理機有關(guān)的電子抗干擾1)接收機抗飽和經(jīng)天線反干擾后殘存的干擾如果足夠大,則將引起接收處理系統(tǒng)的飽和。接收機飽和將導致目標信息的丟失。因此，要根據(jù)雷達的用途研制主要用于抗干擾的增益控制和抗飽和電路。而已采用的寬-限-窄電路是一種主要用來抗掃頻干擾,以防接收機飽和的專門電路。3.與接收機、信號處理機有關(guān)的電子抗干擾562)信號鑒別對抗脈沖干擾的有效措施是采用脈寬和脈沖重復頻率鑒別電路。這類電路測量接收到脈沖的寬度和(或)重復頻率后,如果發(fā)現(xiàn)和發(fā)射信號的參數(shù)不同,則不讓它們到達信號處理設備或終端顯示去。3)信號處理技術(shù)現(xiàn)代雷達信號處理技術(shù)已經(jīng)比較完善,例如用來消除地面和云雨雜波的動目標顯示(MTI)和動目標檢測(MTD),對于消除箔條等干擾是同樣有效的。除了上述相參處理外,非相參處理的恒虛警率電路可以用提高檢測門限的辦法來減小干擾的作用。在信號處理機中獲得的信號積累增益是一種有效的電子抗干擾手段。2)信號鑒別對抗脈沖干擾的有效措施是采用571.5.3隱身和反隱身的斗爭雷達探測和跟蹤目標的能力依賴于接收到的回波信號功率與干擾功率的比值,信號功率正比于目標的雷達有效反射面(RCS)σt,而干擾功率則可能是接收機內(nèi)部噪聲或外部的有源和無源干擾。敵方入侵飛機只要設法降低此比值，就可使我方雷達性能惡化而有利于它的行動。降低飛行器自身的RCS即可達到上述目的,這項技術(shù)稱之為飛行器的隱身技術(shù),它減小了目標的可觀測性。RCS下降后對雷達探測性能的影響為:1.5.3隱身和反隱身的斗爭58當雷達探測能力受限于噪聲(內(nèi)部噪聲或干擾)時,由于接收到的信號功率Sr可表示為則當目標的RCS由原來的σt0下降為σt時,探測距離R與原探測距離R0的關(guān)系為當其RCS降低12dB或近似為95%時,探測距離將減小一半。當雷達探測能力受限于噪聲(內(nèi)部噪聲或干擾)時59當雷達是在雜波背景下探測目標時,例如在低擦地角φ時,接收到的信雜比為這時由于σt減少而引起的性能下降是驚人的。有關(guān)系可見，目標的RCS降低一半,相應的探測距也將下降一半。當雷達是在雜波背景下探測目標時,例如在低擦地60目標RCS的下降引起回波信號減弱也會加強任一種積極干擾的效果。因此在電子戰(zhàn)中,世界各國都重視隱身技術(shù)的研究。以美國為例,從20世紀50年代開始就在U-2,P-2V等高空偵察機上采用吸波材料(RAM)等隱身措施以減小飛機的RCS。70年代中期研制的B1-B戰(zhàn)略轟炸機,其RCS只有原B-52的3%~5%,從而使雷達對它的探測距離下降58%。80年代以來,飛行器隱身技術(shù)有了突破性進展,第三代隱形飛機F-117A(戰(zhàn)斗轟炸機)和B-2已于80年代末期裝備部隊,它們的RCS約下降20~30dB,使雷達的探測距離下降為原值的1/3~1/6。第四代隱形飛行器亦處于試飛階段。目標RCS的下降引起回波信號減弱也會加強任一種61隱形飛機再加上障礙隱形(低空、超低空背景或電子干擾掩護)對雷達的威脅更為嚴重。1991年海灣戰(zhàn)爭的戰(zhàn)例充分表明隱身飛機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中所起到的隱蔽、突襲作用。雷達作為防御和武器控制系統(tǒng)的主要探測器,正面臨隱身飛行器的嚴峻挑戰(zhàn),必須積極發(fā)展反隱身技術(shù)來迎接這一挑戰(zhàn),以保證雷達能在預定的空域探測到隱身飛行器。反隱身技術(shù)的二種可能途徑是:針對隱身飛行器造成的影響,提高現(xiàn)有雷達的性能去克服它;針對隱身技術(shù)現(xiàn)存缺點并利用其不足去抗擊它。隱形飛機再加上障礙隱形(低空、超低空背景或62飛行器的隱身技術(shù)主要包括外形設計、涂覆電波吸收材料(RAM)和選用新的結(jié)構(gòu)材料等方法。隱身飛機的隱身效果(RCS下降)不是全方位的,它主要是減小從正前方(鼻錐)附近,水平±45°,垂直±3°,范圍照射時的后向散射截面,而目標其它方向,特別是前向散射RCS明顯增大,因此可以采用在空間不同方向接收隱身目標散射波進行空間分集來發(fā)現(xiàn)它。另一方面，涂覆的吸波材料有一定的頻帶范圍,通常是2~18GHz,也就是說，涂覆的吸波材料對長的波長是無效的。當飛行器尺寸和工作波長可以相比時,其RCS進入諧振區(qū),外形設計對隱身的作用會明顯下降。這就是說，米波或更長波長的雷達具有良好的反隱身能力。以上表明，可從頻率域進行反隱身。飛行器的隱身技術(shù)主要包括外形設計、涂覆電波63

1.發(fā)揮單基地雷達的潛力為彌補目標RCS下降所造成的探測距離的縮短,應采用提高雷達發(fā)射功率和天線孔徑乘積,采用頻率、極化分集,優(yōu)化信號設計和改善信號處理等措施。如用相控陣雷達,則較容易實現(xiàn)上述要求并可增強電子戰(zhàn)能力。1.發(fā)揮單基地雷達的潛力64

2.采用先進的組網(wǎng)技術(shù)這也是探測隱身飛機的有效手段,方法是各種工作頻率的雷達聯(lián)網(wǎng),網(wǎng)中雷達從各個不同視角觀測目標,多站信息合成實現(xiàn)空間分集。特別要提到,組網(wǎng)中的米波雷達本身就有良好的反隱身能力,它的不足之處是角分辨力差和絕對可變帶寬窄。為了利用米波雷達反隱身,已在研究克服其缺點的途徑,例如，正研究的綜合脈沖與天線的米波分布陣雷達就可較好地克服上述缺點。2.采用先進的組網(wǎng)技術(shù)65

3.超視距后向散射(OTH-B)雷達這是一種工作在3~30MHz短波頻段,利用電離層返回散射傳播機理,實現(xiàn)對地平線以下超遠程(700~3500km)運動目標進行探測的新體制陸基雷達,其工作原理如圖1.11所示。OTH-B雷達探測距離遠,覆蓋面積大,單部雷達60°扇面覆蓋區(qū)可達百萬平方公里,可對付有人或無人駕駛的轟炸機、空對地導彈和巡航導彈之類的噴氣式武器的低空突襲；特別是，可對洲際導彈發(fā)射進行早期預警是其突出的優(yōu)點。3.超視距后向散射(OTH-B)雷達66圖1.11高頻天波(OTH-B)雷達原理圖圖1.11高頻天波(OTH-B)雷達原理圖67OTH-B雷達由于工作在高頻波段,其波長為10~60m,大部分飛行器的尺寸及其主要結(jié)構(gòu)的特征尺寸均與其波長接近或小于波長,因此目標的散射處于諧振區(qū)或瑞利區(qū),其RCS會大于光學區(qū)的RCS。處于瑞利區(qū)時,其RCS與目標形狀的細節(jié)無關(guān)而只同其體積或照射面積有關(guān),亦即外形設計隱身這時是無效的。在此工作頻段吸收材料的作用也是無效的,而且OTH-B的電波被電離層反射后自上而下照射目標這正是隱身外形設計最薄弱的視角。由此可見，超視距雷達OTH-B是探測隱身目標最有希望的手段。OTH-B雷達由于工作在高頻波段,其波長為68OTH-B雷達也存在局限性。因為它是靠電離層反射傳播的,而電離層的高度和參數(shù)隨時間變化,所以難以完善預測,有時甚至導致雷達不能正常工作;近區(qū)盲距可達600~900km,定位誤差數(shù)十公里。因此這種雷達只能用于早期預警。OTH-B雷達也存在局限性。因為它是靠電離層694.雙/多基地雷達1)雙基地雷達工作的基本特點由于雙基地雷達的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)分置的距離較遠,這就產(chǎn)生了雙基地雷達不同的測量坐標系和技術(shù)實現(xiàn)的復雜性。4.雙/多基地雷達1)雙基地雷達工作的基70圖1.12單波束連續(xù)掃描時的脈沖追趕圖1.12單波束連續(xù)掃描時的脈沖追趕71單基地雷達收發(fā)系統(tǒng)置于同一處,收發(fā)之間工作時的時間和相位(頻率)同步依靠機內(nèi)的頻率源和同一時鐘來提供,由于收、發(fā)共用天線,發(fā)射和接收波束在空間的覆蓋是相同的,空間同步也自然得到保證。雙基地雷達收發(fā)分置后,時間和相位(頻率)的同步需要從發(fā)射站提供基準傳送到接收站,或收發(fā)均用高穩(wěn)定性的原子頻標經(jīng)校正得到同步?？臻g的同步問題更為復雜,發(fā)射信號沿發(fā)射波束傳播,不同時間發(fā)射能量照射到不同空域,只有處于該空域的目標才可能產(chǎn)生散射,因此，接收波束必須在任何時候都要指向發(fā)射能量照射的空域，以便接收回波散射能量,如圖1.12所示。亦即空間同步要保證任一時刻收發(fā)天線波束覆蓋同一空域。當發(fā)射波束采用窄波束進行空間掃描時,接收波束應能靈活、快速地在空間掃描,對發(fā)射脈沖的空間位置進行追趕,這種方式稱為脈沖追趕式空間同步。要實現(xiàn)接收波束的快速可控掃描,可以采用數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)來實現(xiàn)。單基地雷達收發(fā)系統(tǒng)置于同一處,收發(fā)之間工作72圖1.13雙基地雷達測量坐標(二維)圖1.13雙基地雷達測量坐標(二維)73雙基地雷達可根據(jù)不同的情況可測得θt,θR,Rt,Rt+RR等值,根據(jù)圖示的雙基地三角形,即可求解目標在空間的位置x,y。雙基地雷達的測量精度和分辨力均和目標在空間的位置有關(guān),特別是和雙基地角β直接關(guān)聯(lián)。與單基地雷達相比較,其距離和橫向分辨力均將增加一個因素,即cos(β/2)＜1,測量精度和分辨力下降,特別是在基線附近β≈180°,cos(β/2)≈0,則將喪失距離分辨力。雙基地雷達可根據(jù)不同的情況可測得θt,θR,74陸基雙基地雷達收發(fā)站均不運動,當目標運動速度為v時,接收信號的多卜勒頻率為式中，δ為速度矢量與雙基地角等分線之間的夾角,β角等分線正交于等距離和的橢圓軌跡的切線(等距離和橢圓軌跡的二個焦點分別是發(fā)射站和接收站)。因此,υcosδ一項和單基地雷達的徑向速度相當,而在雙基地雷達中還要乘上位置因子cos(β/2)。在基線附近,β≈180°,則fβ≈0。陸基雙基地雷達收發(fā)站均不運動,當目標運動速75可以看出,當β≈180°時,雖然前向散射σf明顯增大,但在此區(qū)工作的雙基地雷達存在明顯的性能缺陷:距離和多卜勒分辨力極差,fβ≈0。從發(fā)射機到接收機的直達信號將和前向散射信號同時到達而產(chǎn)生干涉等?？梢钥闯?當β≈180°時,雖然前向散射σ762)雙基地雷達截面積σB雙基地雷達探測能力正比于雙基地雷達截面積σB。隱身飛行器只能在鼻錐方向有限角度范圍內(nèi),因而明顯減少了單基地雷達所用的后向散射σM。要討論雙/多基地雷達的反隱身,首先必須研究σB的變化規(guī)律。雙基地雷達截面積σB較之單基地雷達截面積σM更為復雜。因為σB是視線角和雙基地角β的函數(shù)。根據(jù)β值的不同，σB可大致劃分為三個區(qū)域,其內(nèi)容如下:2)雙基地雷達截面積σB雙基地雷達探測能力77(1)偽單基地RCS區(qū)。此區(qū)域的σB可以用單雙基地等效定理來確定，即當λ遠小于目